评估TiN薄膜与基材结合的划痕试验及有限元模拟

通过有限元模型模拟划痕试验得到的结果表明∶切应力的起伏变化?膜/基界面处切应力差值?接触区附近膜层表面张应力?高载下的几种应力集中等,对膜/基体系的失效都有重要的作用.通过模型计算临界载荷下的膜/基界面处切应力差值,可用来评价膜层与基材的结合强度;提出了划痕试验中膜/基体系失效的2种机制.不同性能基材的TiN膜/基体系划痕试验结果,可验证本文有限元模拟的有效性,并表明临界载荷是膜/基结合强度?体系承载能力?内聚结合性能等的综合反映;低载往复摩擦磨损试验的结果进一步证实,用划痕试验的临界载荷评估膜/基结合强度具有局限性.     

核电690合金传热管微动疲劳试验及损伤机理分析

核电蒸汽发生器传热管在微幅磨损与交变载荷的作用下形成微动疲劳,导致其表面裂纹萌生和扩展乃至破裂,从而影响反应堆的安全. 为研究径向载荷以及轴向交变应力对690合金管微动疲劳寿命的影响规律,开展690合金管管材的微动疲劳试验,获得690合金管管材的微动疲劳寿命曲线,并与相关研究数据进行对比分析,以便探讨材料在微动疲劳下的寿命模型. 对不同载荷下的690合金管试样的磨痕表面进行三维形貌和扫描电镜观测,分析磨损表面的损伤机理;对不同载荷下的690合金管试样断口的宏观与微观形貌进行表征,分析裂纹萌生、起裂过程及其失效机理. 结果表明690合金管与403不锈钢(SS)抗振条间的磨损机理为剥层及磨粒磨损;690合金管在径向载荷作用下于微动磨损处产生裂纹源,裂纹在轴向交变应力的作用下不断向内部扩展,最终导致断裂;其断裂形式为解理疲劳断裂.      

雨水环境下PTFE/Kevlar编织材料摩擦学性能研究

针对川西平原地区实际降雨环境,开展了PTFE/Kevlar航空器关节轴承衬垫材料往复磨损试验,通过分析摩擦系数、磨痕损伤形貌以及磨损表面化学成分的演变规律,探究了雨水环境下PTFE/Kevlar编织材料的摩擦磨损特性.结果表明：雨水环境下PTFE/Kevlar轴承衬垫材料磨损损伤行为表现为PTFE纤维变形、破碎、转移以及Kevlar纤维变形和疲劳断裂.雨水环境下PTFE/Kevlar轴承衬垫材料的磨损过程可分为3个阶段：前期(N<1000)、中期(1000≤N<5000)和后期(N≥5000),分别是PTFE逐渐转移阶段、PTFE转移膜形成阶段以及转移膜破坏阶段.从磨损前期到中期,摩擦系数减小,最大磨痕宽度和最大磨痕深度增加,磨痕区域F元素含量增加、C元素含量减少;从磨损中期到后期,摩擦系数增加并波动,最大磨痕宽度和最大磨痕深度持续增加,磨痕区域F元素含量减小、C元素含量增加.结果表明雨水环境会促使转移膜快速剥落和破坏,因此,应尽量避免自润滑PTFE/Kevlar衬垫型关节轴承长时间在阴雨天气下使用.     

三种粘结固体润滑涂层微动磨损性能比较研究

采用Deltalab-Nene型微动摩擦磨损试验机和UMT-2型通用摩擦磨损试验仪对比考察了42CrMo钢基体表面MoS2基、石墨基、PTFE基粘结固体润滑涂层的微动磨损性能及其同涂层划痕临界载荷的相关性；基于微动损伤表面和截面扫描电子显微分析以及涂层原始表面和微动磨损表面X射线衍射分析，探讨了几种涂层的微动损伤机理．结果表明：3种涂层的减摩抗磨性能并不简单取决于其同基体的结合强度，而是同时与涂层本身的机械力学性能和微结构密切相关；涂层在微动早期经历较轻微的塑性变形和流动，并可沿滑动方向发生晶粒择优取向，进而在偶件磨损表面形成转移膜，从而有效地起到减摩抗磨作用；涂层的失效主要归因于往复疲劳应力作用下的裂纹萌生、扩展以及层状剥落．     

铁路车轴过盈配合面微动损伤分析及有限元仿真

基于全尺寸铁路车轴疲劳试验,观察并分析了微动区损伤形貌及损伤机理. 基于测量的磨损轮廓建立有限元模型,计算分析了微动磨损对过盈配合面微动参量及轴向应力的影响. 结果表明:轮座近加载侧存在1个宽度约为20 mm的微动损伤区,根据形貌特征可以分为3个区域. 仿真得到的微动滑移区宽度与损伤区宽度基本一致,张开区宽度略小于磨损区. 未磨损时,接触压应力、摩擦剪应力及轴向应力峰值均出现在接触最边缘;在微动磨损作用下,接触压应力、摩擦剪应力、轴向应力峰值出现在磨损-未磨损边界,且轴向应力数值在磨损区由负变正. 磨屑的存在为接触面提供承载平台,在一定程度上抑制应力集中向内部转移.      

石英添加量对搪瓷涂层微观结构及摩擦磨损性能的影响

采用一次浸搪法制备石英添加量为0%、4%、8%和12%的搪瓷涂层,通过HSR-2M型高速往复摩擦试验机测试涂层摩擦学性能,SEM和EDS分别表征涂层微观组织和磨损形貌,并分析磨损机理. 结果表明:搪瓷涂层中石英添加质量分数为0%和4%时,涂层气孔率大、气孔密度低,摩擦时形成的微裂纹易沿着气孔间最短距离方向扩展,硬质磨屑转移至摩擦对偶表面而使涂层磨痕底部形成尖锐的凹槽,磨损形式主要为磨粒磨损和脆性断裂. 而石英添加质量分数为8%和12%的涂层气孔率小、气孔密度高,其中8%添加量涂层的孔径分布更加均匀,磨损率及磨痕深度仅为未添加涂层的1/3. 摩擦过程中孔径均匀的小尺寸气孔增大了裂纹扩展时所需的能量势垒而阻碍裂纹扩展,磨屑被气孔拦截后在磨损表面形成密实的堆积层,避免了摩擦对偶与涂层的直接接触而起到减摩作用,磨损形式主要为磨粒磨损.      

等离子堆焊Stellite合金高温摩擦磨损特性研究

采用等离子堆焊技术在气门用钢基体上制备了Stellite 1和Stellite F合金堆焊层,对堆焊层的金相组织、物相组成和硬度等进行了研究,在MMU-10G高温端面摩擦磨损试验机上考察了不同温度条件对2种堆焊层摩擦磨损性能的影响,并分析了堆焊层的磨损机理.结果表明:高温条件下,随着温度的上升,2种合金堆焊层的摩擦系数增大,磨损体积减小;温度为400℃时,Stellite 1和Stellite F合金堆焊层分别产生了大量的疲劳裂纹和宽大的犁沟,磨损较为剧烈;温度为500和600℃时,2种合金堆焊层磨损机制相似,主要磨损机制分别为疲劳剥落和磨粒磨损;氧化膜的快速形成以及上试样硬度的下降减小了磨损,磨痕中心区域变窄,磨痕边缘的磨屑不断堆积并被碾压产生了严重的黏着磨损,导致摩擦系数增加.     

2种Zr(-Sn)-Nb合金与316L不锈钢的冲击磨损性能

采用316L不锈钢材质的锐角圆锥块作为摩擦对偶,在硼酸锂的液流条件下对2种Zr(-Sn)-Nb合金管进行不同循环次数(N=10²,10³,10⁴,10⁵,10⁶)的冲击试验.模拟了锆合金包壳在异物磨蚀情况下的冲击状态,研究了2种Zr(-Sn)-Nb合金管的冲击磨损性能及冲击磨损机制.结果表明,锆合金管材在冲击磨损作用下的磨损机制主要为塑性变形和疲劳剥落.机械性能、动力学曲线和冲击磨损试验等数据皆表明,Zr-Sn-Nb合金拥有比Zr-Nb合金更好的抵抗316L不锈钢冲击磨损的能力.磨痕边缘材料塑性流动导致的裂纹形成与扩展及磨痕底部裂纹延伸交汇后发生的疲劳剥落,都会对锆合金管造成严重的磨损去除.冲击过程中,锆合金管与摩擦对偶会发生材料迁移,形成Zr、O、C、Fe元素不均匀分布的磨屑堆积层.     

低温环境下列车车轮材料磨损与损伤演变行为研究

利用低温环境装置和轮轨模拟试验机开展了室温(约20℃)与-40℃温度下列车车轮材料的滚动磨损试验,研究了-40℃下车轮材料磨损和表面与剖面损伤随循环次数的演变规律.结果表明：温度的降低对车轮材料磨损和损伤机制有明显影响.与室温相比,-40℃时车轮材料疲劳磨损明显减轻,磨损率下降.-40℃工况下车轮材料磨损与损伤的形成具有明显演变特征.在磨损初期,轮轨界面发生材料转移并在轮轨界面形成稳定的摩擦膜;摩擦膜的存在降低了车轮材料磨损率.随循环次数增加,由于低磨损率,车轮表层材料在滚动载荷作用下持续累积塑性变形.在磨损后期,累积了高塑性变形的车轮材料将促进裂纹萌生.因此在车轮试样亚表层萌生大量裂纹,亚表层裂纹相互汇合,从而加速疲劳裂纹扩展.     

CRH380A型高速动车组制动闸片摩擦损伤分析

本研究中选取CRH380A型高速动车组服役中的制动闸片作为研究对象，利用微观分析测试手段分析了该闸片摩擦粒子的损伤特征及其原因，得出摩擦粒子的主要损伤特征为剥落和裂纹. 根据闸片摩擦粒子形貌和成分分析结果，结合不同制动时刻摩擦粒子的应力分布状态，分析了形成以上两种主要损伤的原因和机理. 结果表明:闸片摩擦粒子材料加工过程中形成的气穴、不同组元的硬度和耐磨性差异等应是导致其发生块状剥落的主要原因；而制动闸片切入端的摩擦粒子应力较大，这可能是导致制动闸片偏磨的主要原因之一，且摩擦粒子的中心圆孔附近存在应力集中现象，导致了裂纹更容易在圆孔周边萌生，同时材料加工过程中形成的气穴、不同组元之间结合强度不足等原因也导致了裂纹的萌生与扩展.      

Si过渡层类金刚石薄膜界面优化及其性能研究

本文中利用等离子体化学气相沉积法,制备了具有Si过渡层的DLC薄膜.利用俄歇深度分析的方法,研究了Si过渡层沉积条件如电压、气压和气源对Si过渡层的影响;利用薄膜应力分布测试仪和划痕仪,研究了不同沉积条件下制备的Si过渡层对类金刚石薄膜内应力和附着力特性的影响;利用摩擦磨损仪,分析比较了薄膜的摩擦性能.研究表明:DLC薄膜与基底之间形成(Fe+Si+O混合层)/Si/(Si+C混合层)过渡层.过渡层制备过程中,气压、电压和Ar/Si H4比例升高,会导致过渡层中Si层厚度的减小.这种过渡层在一定范围内提高了DLC薄膜与基体之间的结合力,缓解了因薄膜与基底间不匹配而产生的应力.在大气环境下,优化的DLC薄膜与GCr 15钢对偶的摩擦系数及磨损率可低至0.02和8.2×10-14m3/(N·m).     

调制比对WSx/a-C多层膜微观组织及摩擦学性能的影响

采用磁控溅射交替溅射WS2和石墨靶,在200℃的Si基体上制备了不同调制比的WS_x/a-C多层膜(调制周期约为20 nm).利用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子谱(XPS)等手段表征了多层膜的微观结构;采用纳米压痕仪、薄膜应力测试仪、涂层附着力划痕仪和球盘式摩擦磨损试验机测试多层膜的机械性能及大气中的的摩擦磨损性能.结果表明:WS_x/a-C多层膜表面平整、结构致密,S/W比在0.92~0.97范围内波动,WS_x子层以微晶的形式存在,WS_x/a-C相界面处形成了WC相.随着调制比的增加,多层膜的硬度由7.8 GPa升高至9.0GPa,膜内压应力先减小后增大,结合力单调减小,摩擦系数由0.18增至0.29,磨损率迅速升高.调制比为1∶39的多层膜的摩擦学性能最佳,其磨损率约为6.1×10~(–15) m~3/(N·m).     

Thin film/substrate systems featuring arbitrary film thickness and misfit strain distributions. Part I: Analysis for obtaining film stress from non-local curvature information

Current methodologies used for the inference of thin film stress through curvature measurements are strictly restricted to stress and curvature states which are assumed to remain uniform over the entire film/substrate system. Recently Huang, Rosakis and co-workers [Huang, Y., Ngo, D., Rosakis, A.J., 2005. Non-uniform, axisymmetric misfit strain: in thin films bonded on plate substrates/substrate systems: the relation between non-uniform film stresses and system curvatures. Acta Mech. Sin. 21, 362–370; Huang, Y., Rosakis A.J., 2005. Extension of Stoney’s Formula to non-uniform temperature distributions in thin film/substrate systems. The case of radial symmetry. J. Mech. Phys. Solids 53, 2483–2500; Ngo, D., Huang, Y., Rosakis, A. J., Feng, X. 2006. Spatially non-uniform, isotropic misfit strain in thin films bonded on plate substrates: the relation between non-uniform film stresses and system curvatures. Thin Solid Films (in press)] established methods for film/substrate system subject to non-uniform misfit strain and temperature changes. The film stresses were found to depend non-locally on system curvatures (i.e., depend on the full-field curvatures). The existing methods, however, all assume uniform film thickness which is often violated in the thin film/substrate system. We extend these methods to arbitrarily non-uniform film thickness for the thin film/substrate system subject to non-uniform misfit strain. Remarkably the stress-curvature relation for uniform film thickness still holds if the film thickness is replaced by its local value at the point where the stress is evaluated. This result has been experimentally validated in Part II of this paper.     

单晶硅表面等离子体基离子注入碳纳米薄膜的摩擦学特性

用等离子体基离子注入(PBII)技术在单晶硅表面制备了碳纳米薄膜,考察了薄膜在不同载荷及速度下同Si3N4球对摩时的摩擦学性能,并采用扫描电子显微镜观察分析了磨痕表面形貌.结果表明,所制备的碳纳米薄膜光滑致密,为高硬度富弹性的类金刚石碳(DLC)膜,薄膜通过C-Si键合作用而同硅片表面形成牢固结合,且成分及结构呈现某种梯度变化特征,单晶硅经改性后摩擦学性能大幅度改善:在低载荷(0.5 N)下其耐磨寿命达3 h以上,摩擦系数处于0.10～0.30之间,磨痕不明显;在高载荷(4 N)下其耐磨寿命及摩擦系数(0.03～0.20之间)均明显降低.这是由于较高载荷或滑动速度导致DLC薄膜石墨化加剧所致.     

溅射沉积WS2／Ag纳米复合薄膜在不同环境中的摩擦磨损性能研究

利用直流磁控溅射方法在钛合金基底上制备W S2/Ag纳米复合薄膜,采用扫描电子显微镜、透射电子显微镜以及能谱仪对复合薄膜的表面形貌和组织结构进行分析,用球-盘式摩擦磨损试验机对复合薄膜在真空和潮湿空气环境中的摩擦磨损性能进行研究.结果表明:溅射沉积制备的W S2/Ag复合薄膜为非晶态结构,弥散分布于W S2基体中的晶态纳米Ag相提高了薄膜与基底的界面结合强度;与纯W S2薄膜相比,W S2/Ag纳米复合薄膜虽然在不同环境中的摩擦系数有所增加,但其在潮湿空气中的耐磨性能(磨损寿命)具有较大幅度的提高,且摩擦状态更稳定.     

纳米薄膜屈曲模式的实验研究

薄膜/基底系统在信息科学以及微电子机械系统中有着十分重要的地位.薄膜中常会有压或拉的残余应力,因此薄膜/基底结构通常是工作在残余应力以及外加应力的联合作用下.根据结构的功用不同,其载荷方式也有不同,从而也导致了不同的破坏模式.压缩载荷下的脱粘屈曲是薄膜基底结构主要的破坏形式之一.本文使用磁控溅射镀膜技术,制作了压缩薄膜...     

镁合金表面磁控溅射CNx/SiC/Ti多层膜的摩擦磨损性能

采用室温磁控溅射技术在镁合金(AZ91D)表面制备了CNx/SiC/Ti(氮化碳/碳化硅/钛)多层膜(SiC、Ti为中间层),研究了CNx薄膜的纳米压痕行为和摩擦磨损性能.结果表明:CNx薄膜具有低的纳米硬度(6.67GPa)、低的弹性模量(54.68GPa)和高的硬度与弹性模量比值(0.122);在以氮化硅球为对摩副的室温干摩擦条件下摩擦系数约为0.162,磨损率在10-6mm3/(m.N)级,薄膜经长时间(3.5h)磨损后未出现裂纹和剥落.分析表明,摩擦化学和硬度与弹性模量比值对摩擦系数和磨损率有重要影响.     

Thin film/substrate systems featuring arbitrary film thickness and misfit strain distributions. Part II: Experimental validation of the non-local stress/curvature relations

The classical Stoney formula relating local equibiaxial film stress to local equibiaxial substrate curvature is not well equipped to handle realistic cases where the film misfit strain, the plate system curvature, and the film thickness and resulting film stress vary with in-plane position. In Part I of this work we have extended the Stoney formula to cover arbitrarily non-uniform film thickness for a thin film/substrate system subject to non-uniform, isotropic misfit strains. The film stresses are found to depend non-locally on system curvatures. In Part II we have designed a demanding experiment whose purpose is to validate the new analysis for the case of radially symmetric deformations. To achieve this, a circular film island with sharp edges and a radially variable, but known, thickness is deposited on the wafer center. The plate system’s curvatures and the film stress distribution are independently measured by using white beam and monochromatic X-ray microdiffraction (μXRD) measurements, respectively. The measured stress field (from monochromatic μXRD) is compared to the predictions of various stress/curvature analyses, all of which have the white beam μXRD measurements as input. The results reveal the shortcomings of the “local” Stoney approach and validate the accuracy of the new “non-local” relation, most notably near the film island edges where stress concentrations dominate.     

四面体无定型无氢非晶碳膜的制备及其摩擦学性能研究

采用磁过滤阴极真空弧系统分别在硅片[Si(100)]、W18Cr4V高速钢和Cr18Ni9不锈钢基体上沉积了一系列sp3键含量较高的四面体无定型无氢非晶碳膜(ta-C),研究了所合成薄膜的结构、硬度、附着强度和摩擦磨损性能,考察了基体和薄膜厚度对薄膜摩擦系数的影响,简要分析了相应ta-C膜的失效机理.结果表明,在高速钢基体上沉积的ta-C膜的显微硬度为76 GPa,结合力Lc值达42 N,具有优良的摩擦学性能,其摩擦系数为0.12,且摩擦系数可以在16 000 r范围内保持稳定.